资源一号02D卫星信息系统总体设计

雷勇 王文平 张宏宇 范大亮 王建

(中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)

资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)是一颗三轴稳定对地观测光学遥感卫星，主推高光谱分辨率，定位于中等分辨率、大幅宽观测和定量化遥感任务，向用户提供丰富的地物光谱信息。卫星信息系统承担了卫星遥测遥控、星务管理、定位定轨、卫星时间发布与维持、重要数据存储与恢复、星务数据存储与回放、自主健康管理、自主任务管理、载荷数据处理、存储与传输、卫星状态管理与系统维护等功能，其功能涉及数管、测控、数传、固存、姿轨控等分系统。根据用户在图像质量、操控便利性以及在轨运行稳定性等方面的要求，信息系统在采用成熟技术的基础上，重点在信息系统体系结构、信息流、好用易用以及健壮性等方面开展了针对性的设计。

资源一号02D卫星信息系统星地测控采用脉冲编码调制(PCM)[1]遥控体制和高级在轨系统(AOS)遥测体制[2-3]，采用2×450 Mbit/s码速率的星地载荷数据传输通道、双圆极化复用的数传体制，星上配置了2种速率等级的信息网络，分别用于星务数据、载荷数据的传输，星上重要数据保存与恢复采用多地存储、多优先级恢复、断电不丢失、数据校验等保护策略，星载自主任务管理采用面向用户任务的操控接口，将经过抽象的各分系统操控子序列，在规则库和解析模型的约束下实现了卫星系统级快记慢放、回放、记录、定标以及单双天线和多站接力等任务模式，此外还通过信息流优化、自主监控、关键软件在轨重构等手段，有效提升了信息系统的健壮性。

本文首先介绍了信息系统的网络体系结构、功能体系结构设计，重点对资源一号02D卫星的信息流设计、好用易用设计以及健壮性设计进行了详细描述，此外还介绍了测试验证以及在轨应用情况，并提出了发展建议。

1 信息系统体系结构

1.1 功能体系结构

信息系统主要完成星地测控通信与定轨定位、星务管理、卫星自主管理以及载荷数据处理传输等，信息系统功能体系结构如图1所示[4]。测控通信功能分布于测控分系统，以测控应答机和导航接收机为核心设备完成星地测控通信、定位定轨、积分时间计算以及时间基准发布等功能。星务管理功能分布于数管分系统，以中央处理单元为核心，承担着整星综合管理控制、1553B通信网络管理，整星遥测/遥控信息处理与调度、卫星时间维护与发布等功能。自主管理功能是卫星好用易用以及在轨稳定运行的关键，包括自主任务管理和自主健康管理两部分[5]，卫星自主管理采用分层分布式体系结构，系统级管理由中央处理单元承担，各分系统负责各分系统级自主管理任务。载荷数据处理传输分布于数传分系统，主要完成对载荷数据的压缩、AOS格式编排、信道编码与调制、存储与回放、天线跟踪控制以及对地传输等功能。

图1 信息系统功能体系Fig.1 Information system function architecture

1.2 网络体系结构

根据资源一号02D卫星各类型信息的数据量、传输频率、延迟等需求，信息系统构建了两种不同速率的分布式信息网络[6-7]。低速信息网络以1553B总线作为媒介，主要用于传输星载设备之间的遥测遥控信息、注入数据以及设备/部件测量输出数据、系统控制信息等，是星务信息、系统综合控制信息、遥控遥测信息传输、交换的主干网络。高速信息网络以LVDS、TLK2711总线作为媒介，LVDS总线用于数据存储与处理单元和数传分系统间以及数传分系统内部设备间的数据传递，TLK2711总线用于可见近红外相机、高光谱相机与数传分系统间的数据传递。卫星信息网络体系结构如图2所示。

图2 信息系统网络体系Fig.2 Information system net architecture

2 信息系统总体设计

2.1 信息流设计

2.1.1 星务信息流设计

星务信息流以数管分系统中央处理单元为控制和调度的中心，通过1553B总线网络完成与各分系统终端之间的信息调度与共享。星务信息流包括星务数据存储信息流、时间流、天线控制数据流、辅助数据流、上行遥控流以及下行遥测流等，不同类别信息流所涉及的终端、信息传输途径以及传输内容等均有所不同。下面以星务数据存储与分发流和重要数据流为例说明资源一号02D卫星的信息流设计。

1)星务数据存储与分发流

中央处理单元是整星星务数据处理与调度的中心，但存在存储空间小以及复位后存储数据丢失的风险，因此资源一号02D卫星配置了数据存储与处理单元(DRP)用于存储和分发整星全时星务数据，提供多种灵活的查询功能，并可从测控和数传通道进行回放，信息流设计如图3所示。

图3 星务数据存储流图Fig.3 Housekeeping data storage flow

DRP从中央处理单元接收整星全时星务数据，按源包和时间顺序存储，DRP对其内部存储数据提供RS编码保护，测控通道回放模式下提供了4种源包检索方式，数传通道回放模式下提供了2种回放方式，如图4所示。测控通道回放主要用于快速查询指定时间段内的指定数据源包以及在整星能源紧张、数传通道使用受限的情况下紧急回放指定数据。数传通道回放主要用于快速高效回放全部存储数据，是在轨应用的主要模式。此外为了快速获取整轨图像对应的辅助数据，在每次成像结束前使用回溯回放模式将DRP中存储的当前圈次整轨图像辅助数据与图像数据一起下传至地面或存储至载荷数据固态存储器，该设计有效提升了图像数据的处理效率和辅助数据的处理精度。

图4 DRP数据回放检索模式说明Fig.4 Data playback and query mode of DRP

2)重要数据流

为确保卫星的关键状态在卫星出现异常复位、重启时及时恢复到异常前的状态，需要将卫星姿轨控、系统配置、能源等关键参数作为重要数据在多个计算机或存储设备中进行可靠保存，同时需要设计可靠的保存和恢复策略，确保重要数据可被及时、正确保存，在需要时能可靠、正确恢复，重要数据流设计如图5所示。

图5 重要数据流图Fig.5 Important data flow

2.1.2 载荷信息流设计

卫星配置了两台光学载荷，分别为可见近红外相机和高光谱相机，载荷对地数传通道码速率为2×450 Mbits/s。载荷信息流处理过程包括载荷数据压缩、AOS格式编排、存储/回放、信道编码与调制以及对地传输。数据处理器是载荷系统数据实传、记录、回放、边记边放、服务数据传输等模式切换和数据流调度的中心，载荷信息流设计如图6所示。

图6 卫星载荷数据流图Fig.6 Payload data flow

2.2 自主任务管理设计

2.2.1 任务管理体系结构

卫星用户越来越重视在轨好用易用性，为了方便用户使用、提升卫星使用效率，资源一号02D卫星在易用性方面采用了面向用户的自主任务管理方案，向用户提供了灵活高效的操控接口，屏蔽了卫星内部设计，用户只需要注入任务所需的参数卫星即可完成任务解析和执行，大大提升了卫星操控性和使用效率[8]。卫星自主任务管理设计需要考虑用户使用要求、大系统配置状态、卫星系统指标与能力边界、各分系统功能性能、使用时序等约束规则。自主任务管理采用分层、分布式的体系结构设计，共分为四个层次，顶层为用户接口层，第二层为卫星系统任务层，第三层为子任务层，最低层为执行层，如图7所示。

顶层为用户接口层，是星上自主任务管理系统与卫星用户操控的接口，是星上自主任务管理系统的输入，接口内容包括与卫星任务直接相关的模式、成像参数、数据传输要求、成像时间等。

第二层为卫星系统任务层，该层主要完成对用户任务的合法性、安全性检查和任务解析，根据用户要求以及系统配置库将用户任务解析并生成子任务序列发送至子任务层，卫星系统任务层由数管分系统中央处理单元完成。

第三层为子任务层，该层主要由各分系统控制单元完成对子任务的解析和执行，并确保子任务执行的安全，对于不具备子任务执行能力的分系统，由中央处理单元完成对子任务的执行。

最低层为执行层，即根据子任务层要求，将子任务分解出的单条指令按照特定时序动作，本层由各个任务相关的设备执行。

2.2.2 子任务设计

依据卫星系统模式、各分系统工作模式、操控序列以及时序要求，从便于系统级调用、复用和操控简便等角度考虑，经综合优化后形成了6类共35种子任务序列，图7中子任务层对应的所有子任务序列如表1所示。各子任务序列内规定了操作指令、时序以及执行条件等。

表1 子任务序列Table 1 Sub-mission command sequences

2.2.3 任务模式设计

根据卫星系统配置以及用户使用要求，并考虑卫星使用效率，针对成像实传、快记慢放、记录、回放、服务数据传输等常规使用需求，设计了11种具体应用模式，如表2所示。用户使用时，无需关心具体载荷或部件开关机的指令序列及时序等信息，仅需上注每次任务相关的地面站选择、天线选择、工作模式、固存使用信息、载荷成像参数以及回放信息、姿态机动信息等内容，显著地改善了用户使用体验，同时提升了卫星使用效能。

表2 卫星应用模式Table 2 Satellite operation modes

2.3 自主健康管理设计

自主健康管理主要负责卫星健康状态的监视、诊断、处置和恢复，是卫星在轨稳定运行的关键。系统级健康管理任务由中央处理单元承担，主要完成健康信息采集、调度、综合各分系统健康信息，并发布系统健康状态或诊断、处置信息等。中央处理单元还负责按照特定的数据调度策略向地面控制中心报告卫星健康状态，确保地面可及时、全面、准确的了解卫星健康状态[9]。卫星配置了数据存储与处理单元用于存储卫星全时原始遥测数据、各分系统生成的健康数据、系统故障数据、故障诊断信息库、系统配置状态等，需要时地面可进行灵活查询和回放，获取关心的健康数据。

卫星除在部件、单机、分系统级采取了相应的健康管理措施外，也设计了若干系统级健康管理策略，如表3所示。系统级健康管理策略主要包括：系统监控类策略、载荷任务安全策略、能源安全策略、安全模式策略、系统状态恢复策略、系统重配置策略等[10]。

表3 系统级健康管理策略Table 3 System health management strategy

3 测试验证与在轨应用

在卫星研制过程中，针对信息系统开展了软件、单机、分系统、分系统间联试以及卫星系统级等测试验证工作。除进行了常规的功能性能测试外，还专题开展了成像链路测试、重要数据保存与恢复测试、时统性能测试、自主任务管理测试、自主健康管理测试等项目。研制过程测试验证矩阵如表4所示。

表4 信息系统相关测试验证矩阵Table 4 Information system test matrix

资源一号02D卫星于2019年9月在太原卫星发射中心成功发射，目前在轨已完成了信息系统各项功能性能的测试和验证，经飞行测试验证以及定期对全时遥测数据下传及健康评估表明，信息系统功能完备、性能符合任务要求。卫星入轨已来，执行用户任务连续，自主健康管理各项设计措施运行有效；自主任务管理给用户操控、使用卫星带来了极大的便利，在任务接收与执行、载荷数据多站接力传输、整轨辅助数据获取以及载荷工作模式切换等方面的性能与灵活性大幅提升，用户体验良好。

4 结束语

本文设计的资源一号02D卫星信息系统具有技术状态成熟、体系结构开放、自主管理能力完备以及好用易用等特点。随着星载电子技术和软件技术的不断进步，信息系统的水平将直接决定卫星的使用效能和向用户提供服务的能力，尤其是星上自主任务规划和自主健康管理更是直接关系到卫星的好用易用以及在轨运行的健壮性和稳定性，因此不断提升卫星的自主任务规划和自主健康管理能力是未来的重点研究和发展方向。此外，随着卫星种类数量的增多、载荷数据量的不断增大、用户对获取卫星观测数据的时效性要求不断提高，研究星上实时数据处理、星间、星地多渠道信息分发与互联互通也将是未来的发展与研究热点。